氮化硅基陶瓷刀具

1．1 單一Si3N4陶瓷刀具

此類陶瓷刀具主要是以Mgo為添加劑的熱壓陶瓷倡缠。其硬度為9l一93HRA，耐磨性介于一般陶瓷和立方氮化硼之間茎活，抗彎強度為0．7--0．85GPa昙沦，介于一般陶瓷和YT30之間，沖擊韌度相當(dāng)于Y130载荔，耐熱性可達1300—1400℃ 盾饮，具有良好的抗氧化性。此外懒熙，si 陶瓷有自潤滑性能档价，摩擦系數(shù)較小，抗粘接能力強囤乎，不易產(chǎn)生積屑瘤靡黑，且切削刃可磨得鋒利。能加工出良好的表面質(zhì)量敢薄，特別適合于車削易形成積屑瘤的工件材料帽惠，如鑄造硅鋁合金等。

1．2 復(fù)臺Si3N4陶瓷刀具

由于Si3N4陶瓷以共價鍵結(jié)合艇线，晶粒是長柱狀的剧鹏，因此有較高的硬度热轨、強度和斷裂韌性，同時它有較小的熱膨脹系數(shù)(=3×10-6／℃)盔惑，所以有較好的抗機械沖擊性和抗熱沖擊性跷它。Si3N4刀具特別適合于鑄鐵、高溫合金的粗精加工刁夺、高速切削和重切削唾诺，其切削耐用度比硬質(zhì)合金刀具高幾倍至十幾倍。在汽車發(fā)動機鑄鐵缸體等加工中應(yīng)用越來越普遍途凫。但是si3N4陶瓷的硬度并不是特別高(HRA92．5)垢夹，在加工硬度較高的工件時，如冷硬鑄鐵(HS65—80)维费、高鉻鑄鐵(HSS0—9o)等果元，純si3N4|陶瓷刀具的耐用度是較低的。為改善其耐磨性犀盟。加人TiCN而晒、TiCN+TiN作為硬質(zhì)彌散相，以提高刀具材料的硬度阅畴，同時保留較高的強度和斷裂韌性倡怎，稱為復(fù)合氮化硅陶瓷刀具。與單s3N4陶瓷刀具相比贱枣，復(fù)合氮化硅陶瓷刀具的抗氧化能力监署、化學(xué)穩(wěn)定性、抗蠕變能力和耐磨性都有了很大提高纽哥，且易于制造和燒結(jié)钠乏。是今后陶瓷刀具的重點發(fā)展方向。

1．3 Simon陶瓷刀具

目前許多國家竟相開發(fā)一種新型si基陶瓷刀具：賽隆(SiMon)刀具柬激。賽隆刀具是英國Lucas AyMon公司研制成功的一種單相陶瓷刀具诽祠，以si3N4為硬質(zhì)相Al203為耐磨相，并添加少量助燒劑Y203行忘，經(jīng)熱壓燒結(jié)而成秧诊，有很高的強度和韌性(抗彎強度可達1200MPa，硬度達1800HV)鞋会，SiMon陶瓷刀具具有良好的抗熱沖擊性能担灭，與si3N4相比贿册。SiMon陶瓷刀具的抗氧化能力填杀、化學(xué)穩(wěn)定性、抗蠕變能力與耐磨性能更高睦忘。耐熱溫度較高達1300℃以上焦厘，具有較好的抗塑性變形能力耿堕。其沖擊強度接近于涂層硬質(zhì)合金刀具，巳成功應(yīng)用于鑄鐵和高溫合金等難加工材料的加工绽脏。目前國際上賽隆(SiMon)陶瓷材料的研究非澄独龋活躍，在改進制備工藝棠耕，進行復(fù)相余佛、超細(xì)顆粒、自增韌．刀具材料等的研制方面巳取得了較好的成果窍荧。

與si3N4 相似辉巡，SiMon陶瓷也具有2種晶體結(jié)構(gòu)，a—SiMon為等軸晶具有較高的硬度和耐磨性能蕊退，B—SiMon為柱狀晶斷裂韌性和熱傳導(dǎo)能力相對較好郊楣，(a+B)一SiMon復(fù)相陶瓷刀具綜合了兩相優(yōu)點，切削性能更優(yōu)異瓤荔，重載條件下其耐磨性能優(yōu)于單相陶瓷刀具 目前有2種制備自增韌d—SiMon陶瓷的方法：①通過控制成核過程的熱力學(xué)特點净蚤，在燒結(jié)體內(nèi)原位生長柱狀 —Sialon晶粒以得到白增韌Sialon陶瓷；②采用燃燒合成工藝输硝，制備單相柱狀 —Sialon粉體今瀑，將此粉體按照適當(dāng)比例添加到原料中制備白增韌 —Sialon陶瓷。為降低燒結(jié)溫度点把，一般要加入各種燒結(jié)助劑放椰。比較常用的燒結(jié)助劑有：Y2O3等氧化物和多種稀土元素，一般同時采用2種或2種以上的燒結(jié)助劑 曹胚。

Sialon陶瓷刀具適用于高速切削玲禾、強力切削、斷續(xù)切削济谢；不僅適合于干切削盏掉，也適合于濕式切削Sialon陶瓷可成功地用于鑄鐵、鎳基合金情腥、鈦基合金和硅鋁合金的加工毙向，是高速加工鑄鐵和鎳基合金的理想刀具材料。由于它和鋼的化學(xué)親和性大辰张，Sialon陶瓷刀具不適合加工鋼形负。

1．4 Si3N4晶須增韌陶瓷刀具

晶須增韌陶瓷是在Si3 4基體中加入一定量的碳化物晶須而成，從而可提高陶瓷刀具的斷裂韌性欢巡。如我國北京方大高技術(shù)陶瓷有限公司生產(chǎn)的FD03刀片及湖南長沙工程陶瓷公司生產(chǎn)的SW21牌號均屬這一類瞒礼。FD03刀片是在Si3N4 陶瓷基體中加入了硬質(zhì)彌散顆粒TiC，SW21刀片是在si3N4中加入了一定量的SiC晶須致驶，故有較好的使用性能芯勘。國外一些切削專家認(rèn)為箱靴，用si N4基陶瓷切削鋼材效果不如Al2 O3基復(fù)合陶瓷，故不推薦用其加工鋼材荷愕。但用FD02衡怀、FD03和SW21切削淬硬鋼(6068HRC)、高錳鋼安疗、高鉻鋼和軸承鋼時具有較好的效果抛杨。

2 金屬陶瓷刀具

2．1 Ti(C．N)基金屬陶瓷刀具

金屬陶瓷也叫硬質(zhì)合金或燒結(jié)碳化物，它是陶瓷一金屬復(fù)合材料 以TiC為主要成分的合金荐类，其硬度與耐熱性接近陶瓷而抗彎強度和斷裂韌性比陶瓷高蝶桶，其中金屬碳化物是硬質(zhì)相，一般占80％以上掉冶；其余為鐵真竖、鈷、鎳等金屬相厌小。作為粘結(jié)劑恢共。日本對金屬陶瓷特別青睞，如今璧亚，在日本的金屬切削領(lǐng)域中柴炉。金屬陶瓷刀片已占可轉(zhuǎn)位刀片總數(shù)的30％ ，迄今仍在擴大應(yīng)用范圍价岭。而美國卻只占5％ 青竹，但有人預(yù)示美國制造業(yè)中已經(jīng)能看到大量應(yīng)用金屬陶瓷的前景。

金屬陶瓷硬度高冗吟，強度低俱报，韌性低，因此不宜在有強烈沖擊和振動的情況下使用演侍。金屬陶瓷的導(dǎo)熱性哼狰、耐熱性、抗粘結(jié)性和化學(xué)穩(wěn)定性比高速鋼好得多色递，因此痊追。在刀具材料中獲得了廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)在粪趋，金屬陶瓷的發(fā)展方向是超細(xì)晶燎化和對其進行表面涂層。超細(xì)晶粒金屬陶瓷可以提高切削速度磺浙，也可用來制造小尺寸刀具洪囤。以納米TiN占2％～15wt％改性的TiC或Ti(CN)基金屬陶瓷刀具，硬度高屠缭、耐磨性好箍鼓，其熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性呵曹、耐蝕性款咖、抗氧化性及高溫硬度、高溫強度等都有明顯優(yōu)勢奄喂。與硬質(zhì)合金刀具相比铐殃，該刀具的耐用度和使用壽命提高1—5O倍，切削速度提高1．5—3倍跨新，成本與其相當(dāng)或略高富腊，而金屬切削加工費用下降20％一40％與普通Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具相比域帐，該刀具可靠性更高赘被。

2．2涂層金屬陶瓷刀具

涂層金屑陶瓷目前發(fā)展速度非常迅速。涂層分為硬涂層和軟涂層赚朱，前者主要是金屬碳氮化物砍篇，包括TiN、TiC谁班、Ti(CN)笛蛋、TiAIN、CrC诊乐、CrN等绢拓。其中TiN的工藝最成熟。應(yīng)用最廣泛硬涂層主要是提高其硬度和耐磨性晰等。一般可進行多層復(fù)合涂層然怕。后者主要是Mos基涂層，可以降低摩擦系數(shù)歉莫。另外胜全，軟硬涂層可以復(fù)合使用。

3納米TiN改性的TiC基金屬陶瓷刀具

最近由美國學(xué)者開發(fā)的納米涂層刀具是利用納米技術(shù)的一種新刀具爪只。這種涂層方法采用多種材料的不同組合(如金屬／金屬組合琅功、金屬／陶瓷組合、陶瓷／陶瓷組合先嬉、固體潤滑劑／金屬組合等)轧苫，以滿足不同的功能和性能要求。其中TiC／TiN復(fù)合涂層是典型涂層材料疫蔓，它相對于在TiC基加入TiN硬質(zhì)合金而言含懊，其抗彎強度得到進一步的提高，刀具的硬度和韌性顯著增加衅胀。又因其具有優(yōu)異的抗摩擦磨損及自潤滑性能岔乔，十分適合于于切削酥筝。但納米涂層的涂覆必須采用先進的工藝，如封閉場不平衡磁濺射法(CFUMS)它要求精確的參數(shù)控制和先進的設(shè)備等雏门，必然造成刀具成本的大幅提高嘿歌。同時受工藝和切削條件的影響，涂層的粘結(jié)強度可能不足茁影，切削時涂層容易脫落宙帝。切削性能迅速降低或失效。

納米金屬陶瓷刀具成分為：53TiC一10TIN(砌)一18Mo一18Ni一1C募闲，TiN納米粉粒度為3O一50nm步脓。實驗表明，各力學(xué)性能的峰值分別對應(yīng)一定的納米TiN的添加量嘱庸。據(jù)合肥工業(yè)大學(xué)試驗空崇，當(dāng)添加量體積數(shù)6％一8％時±奈荆可獲得較優(yōu)的綜合物理力學(xué)性能掷戚。

3陶瓷刀具材料的研究思路和展望

根據(jù)Hall—petch關(guān)系，晶粒尺寸越小陶瓷材料的硬度和強度越高肥册。當(dāng)晶粒尺寸小到100nm左右時猫郎，強度和硬度會有很大突破。但是納米粉的活性很大严荷，界面反應(yīng)激活能較低矩修，在燒結(jié)過程中極易長大，盡管加入抑制劑啼康，效果仍不理想厅揍，因此目前還沒有納米級陶瓷刀具材料研制成功的報道。納米改性凑逗、納米復(fù)合成功解決了晶粒的異常長大問題弹惦，納米級粒子釘扎或進入位錯區(qū)使基體晶粒內(nèi)形成亞晶界，導(dǎo)致基體晶粒細(xì)化悄但。納米改性棠隐、納米復(fù)合及超細(xì)晶粒陶瓷刀具材料的研究與開發(fā)將是今后刀具材料發(fā)展的主要方向。

陶瓷刀具材料是一種最有前途的高速切削刀具材料檐嚣，在生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用前景助泽。目前，它已引起世界各國的重視嚎京。在德國約70％加工鑄件的工序是用陶瓷刀具完成的嗡贺，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具總量的8％一10％。我國陶瓷刀具的發(fā)展也十分迅速，研究與開發(fā)水平與國際相當(dāng)诫睬。陶瓷刀具具有非常高的耐磨性煞茫，它比硬質(zhì)合金有更好的化學(xué)穩(wěn)定性，可在高速條件下切削加工并持續(xù)較長時問摄凡，比用硬質(zhì)合金刀具平均提高效率3—1O倍续徽。它實現(xiàn)以車代磨、以銑代拋的高效“硬加工技術(shù)”及“干切削技術(shù)”庇启，提高零件加工表面質(zhì)量丢墅。實現(xiàn)干式切削兔憨，對控制環(huán)境污染和降低制造成本有廣闊的應(yīng)用前景盛媚。

4結(jié)語

新型陶瓷刀具材料具有其它刀具材料無法比擬的優(yōu)勢，其發(fā)展空問非常大扶楣。通過對陶瓷刀具材料組分撤忆、制備工藝與材料設(shè)計的研究，可以在保持高硬度睬毒、高耐磨性和紅硬性的基礎(chǔ)上矿钩，極大的提高刀具材料的韌性和抗沖擊性能，制備符合現(xiàn)代切削技術(shù)使用要求的適宜材料遣株≈遥可以預(yù)料，隨著各種新型陶瓷刀具材料的使用革哄。必將促進高效機床及高速切削技術(shù)的發(fā)展馅溉，而高效機床及高速切削技術(shù)的推廣與應(yīng)用，又進一步推動新型陶瓷刀具材料的使用庭叙。